CN102306642A

CN102306642A - 一种电感值可调的片上集成电感

Info

Publication number: CN102306642A
Application number: CN201110283135A
Authority: CN
Inventors: 李小进; 祝文涛; 石艳玲; 王勇; 蔡静; 陈寿面; 赵宇航; 胡少坚
Original assignee: East China Normal University; Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd; East China Normal University
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-01-04

Abstract

本发明属于微电子技术领域，公开了一种电感值可调的片上集成电感，包括两个电感线圈和开关选择阵列；所述电感线圈上下重叠设置，均连接在所述开关选择阵列上；所述开关选择阵列通过开关选择电感线圈的连接方式及电流方向。本发明可以通过控制开关选择阵列实现多种不同电感值之间的转换，扩大电感值变换的范围。

Description

一种电感值可调的片上集成电感

技术领域

本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种电感值可调的片上集成电感。

背景技术

电感值可调片上集成无源电感可应用于无源匹配网络、LC压控振荡器和相移器等电路中。电感值可调集成无源电感可用来优化可配置射频电路使其具有多种工作模式，增加压控振荡器的调节范围等。

通常，排除其它电路的影响，任意一段金属导线的电感和电容具有如下关系：

其中，c表示金属导线的电容，l表示金属导线的电感，ε和μ分别表示包围金属导线介质层的介电常数和磁导率。一旦包围金属导线的介质材料确定，则金属导线本身的电容和电感的乘积为常数。改变电容c的值会引起电感l随之变化。

现有的电感值可变的片上集成电感，其原型结构主要包含两个电感线圈，实现的方法主要有：1）通过临近次线圈电流耦合来控制磁场；2）采用MOS管或MEMS结构开关来改变电感线圈的串、并联关系。线圈电流耦合方法通常是在主线圈下增加一层重叠的次线圈，通过开关控制使次线圈悬浮或接地电位从而实现两种不同电磁场状态，而不同的电磁场状态会使主线圈表现出两种不同的电感值。而通过改变电感线圈串并联的方法，则主要是从物理结构角度增加一个电感线圈，在原有电感值的基础上加上一个新值。MEMS结构开关相比MOS管性能更好。由于其需要特殊制备工艺，因而不太常用。无论哪种方法，均只能实现两种电感值的变化。

本发明克服现有技术中电磁场耦合调节单一的缺陷，提出了一个设有开关选择阵列的电感值可调片上集成电感。现有技术采用两个电感线圈调节电感值，通过控制其中一个电感线圈的悬空或接地，或者控制两个电感线圈的串联或一个电感线圈直接短路来改变电感值，每种现有技术的片上集成电感只能提供2种可调电感值，然而，本发明仍然采用两个电感线圈，通过控制开关选择阵列的开关却可实现5种不同电感值，与现有技术中每种方法只有2种可调电感值相比，增加了电感值调节范围。

发明内容

本发明提出一种电感值可调的片上集成电感，包括两个电感线圈和开关选择阵列；所述电感线圈之间上下重叠设置，且均连接在所述开关选择阵列上，所述开关选择阵列通过开关选择述电感线圈的连接方式及电流方向。

其中，所述电感线圈1包括节点11、节点12，电感线圈2包括节点21、节点22，所述节点11、12、21、22分别连接在所述开关选择阵列上。

其中，所述电感线圈为四边形或多边形，电感线圈的圈数至少为一圈；所述电感线圈之间设有隔离层。

其中，隔离层上设置有穿孔。

其中，所述开关选择阵列包括开关S0、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5、开关S6、输入端、输出端。

其中，所述开关选择阵列中，所述输入端和节点11相连；

所述节点21通过所述开关S0接地；

所述节点21通过所述开关S1与所述节点12相连；

所述节点11通过所述开关S2和所述节点22相连；

所述节点12通过所述开关S3和所述节点22相连；

所述节点12通过所述开关S4和所述输出端相连；

所述节点22通过所述开关S5和所述输出端相连；

所述节点21通过所述开关S6和所述输出端相连。

本发明目的在于提供一种电感值可调的片上集成电感，本发明的片上集成电感能够提供5种不同电感值，在集成电路上可调范围大，并且通过容易实现的开关阵列控制，本发明制备电感值范围广，实用性强。

本发明的技术特征是采用开关选择阵列，通过开关选择两个电感线圈的连接方式以及电感线圈中的电流方向，从而调节片上集成电感的电感值，实现电感值可调。开关选择阵列由电路及开关组成，制备工艺简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明电感值可调的片上集成电感的结构示意图。

图2为本发明电感值可调的片上集成电感中开关选择阵列与各节点的连接示意图。

图3为本发明电感值可调的片上集成电感的实施例中片上集成电感的结构示意图。

图4为本发明电感值可调的片上集成电感的实施例中片上集成电感在不同配置下的电感值。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的保护内容不局限于以下实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。

如图1~4所示，1-电感线圈，2-电感线圈，3-开关选择阵列，11-节点，12-节点，21-节点，22-节点，30-开关S0，31-开关S1，32-开关S2，33-开关S3，34-开关S4，35-开关S5，36-开关S6，37-输入端，38-输出端，41-穿孔，42-穿孔，43-穿孔。

如图1所示，本发明包括电感线圈1、2和开关选择阵列3。电感线圈1上设置有节点11、节点12，电感线圈2上设置有节点21、节点22。节点11、12、21、22分别连接到开关选择阵列3上。开关选择阵列3上设有输入端37、输出端38，用以将片上集成电感连接到电路中。

如图2所示，开关选择阵列中各开关与节点的连接方式如下：输入端37和节点11相连；节点21通过开关S0 30接地；节点21通过开关S1 31与节点12相连；节点11通过开关S2 32和节点22相连；节点12通过开关S3 33和节点22相连；节点12通过开关S4 34和输出端38相连；节点22通过开关S5 35和输出端38相连；节点21通过开关S6 36和输出端38相连。

如图3所示，实施例中电感线圈1和电感线圈2的圈数均为1.5圈，且分别位于相邻两层金属层上。电感线圈1和电感线圈2上下重合。电感线圈1和电感线圈2的尺寸相同，线宽w=10微米，圈数n=1.5，金属线间距s=2微米，外径D=150微米。电感线圈1和电感线圈2的金属厚度均为2微米。电感线圈间的隔离层的介质为二氧化硅，其相对介电常数为3.7，厚度为3微米。

两电感线圈之间的结构如图 3所示，电感线圈1和电感线圈2从俯视方向上重合，自顶层往下的依次是金属1层、金属2层、金属3层。各电感线圈及其节点所在的金属1层、金属2层、金属3层之间分别采用二氧化硅隔离。通过穿孔41、42、43使金属1层、金属2层和金属3层相连，其中，穿孔41穿越二氧化硅隔离层连接金属1层和金属2层。穿孔42连接金属2层和金属3层。穿孔43将金属1层连接至金属2层，再从金属2层连接至金属3层。电感线圈1及其节点11设置在金属1层中，金属3层中的节点12通过穿孔43连接到金属1层中的电感线圈1上。电感线圈2设置在金属2层中，节点21设在金属1层中，通过穿孔41连接到电感线圈2上。节点22在金属3层中，通过穿孔42连接到电感线圈2上。节点12、节点22设置在金属3层中，通过穿孔43连接到金属1层与外接电路连接。

电感线圈1和电感线圈2之间以隔离层进行隔离，隔离层上设置有穿孔41、42、43，但电感线圈1和电感线圈2之间不能通过隔离层上穿孔进行直接相连。

片上集成电感也可以采用八边形、十六边形等多边形电感线圈。采用多边形电感线圈可以在一定程度上提高电感性能。

开关选择阵列3的6个开关均有两个状态，包括开启和关闭。如当S0=1开启时，节点C21连接至地，当S0=0关闭时，节点C21和地断开。

通过对开关选择阵列3的控制，可实现5种不同电感值的输出，如表1所示。

其中：

电感1，开关设置S0=S1=S2=S3=S5=S6=0,S4=1，表明本发明的电感即为电感线圈1，电感线圈2悬浮，即，片上集成电感的电感值为电感线圈1的电感值。

电感2，开关设置S1=S2=S3=S5=S6=0, S0=S4=1，表明电感线圈1的节点12通过开关S4 34和输出端38相连，电感线圈2连接到地，由于增大了电感线圈1和电感线圈2之间的电势差，增大了寄生电容，在0到4.5GHz电感2的值略低于电感1的电感值，在4.5GHz以上则大于电感1的值。

电感3，开关设置S0=S3=S5=S6=0,S1=S2=S4=1，表明节点11和节点22相连接单节点12和节点21相连，输出端38与节点12相连。此连接相当于电感线圈1和电感线圈2并联，但其线圈上的电流流向相反，从而产生负的互感，改变电感值。

电感4，开关设置S0=S1=S2=S4=S5=0,S3=S6=1，表明节点信号流向为:节点11->节点12->节点22->节点21，经过开关S6到达输出。此时，电感线圈1和电感线圈2为串联，且电感线圈1和电感线圈2中的电流方向相反，产生负的互感，改变了电感值。

电感5，开关设置S0=S2=S3=S4=S6=0,S1=S5=1，表明节点信号流向为:节点11->节点12->节点21->节点22，经过开关S5 35到达输出。此时电感线圈1和电感线圈2为串联，电感线圈1和电感线圈2中的电流方向相同，产生正的互感，增大了电感值。

本实施例采用高频电磁场仿真软件HFSS对其进行建模仿真，可得如图4所示的不同开关阵列组合下的5组电感值与频率的关系，采用本发明片上集成电感可以通过对开关选择阵列的控制实现电感值的调节。电感值是随频率的变化而变化，电感值对应于指定的频率点。当电感结构、尺寸发生变化时，其电感值也会发生变化。如图4所示，本实施例的5个不同范围的可调电感值以及5个电感值在同一频率上的大小关系。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变动与润饰，本发明保护范围应以权利要求书所界定的保护范围为准。

Claims

1.一种电感值可调的片上集成电感，其特征在于，包括两个电感线圈（1、2）和开关选择阵列（3）；所述电感线圈（1、2）上下重叠设置，且均连接在所述开关选择阵列（3）上；所述开关选择阵列（3）通过开关选择所述电感线圈（1）、电感线圈（2）的连接方式及电流方向。

2.如权利要求1所述电感值可调的片上集成电感，其特征在于，所述电感线圈（1）包括节点（11）、节点（12），所述电感线圈（2）包括节点（21）、节点（22），所述节点(11)、节点（12）、节点（21）、节点（22）分别连接在所述开关选择阵列（3）上。

3.如权利要求1所述电感值可调的片上集成电感，其特征在于，所述电感线圈（1、2）为四边形或多边形；电感线圈的圈数至少为一圈；所述电感线圈（1、2）之间设有隔离层。

4.如权利要求3所述电感值可调的片上集成电感，其特征在于，所述隔离层上设置有穿孔（41、42、43）。

5.如权利要求2所述电感值可调的片上集成电感，其特征在于，所述开关选择阵列（3）包括开关S0（30）、开关S1(31)、开关S2(32)、开关S3(33)、开关S4(34)、开关S5(35)、开关S6(36)、输入端（37）、输出端（38）；其中，

所述输入端（37）和节点（11）相连；

所述节点（21）通过所述开关S0（30）接地；

所述节点（21）通过所述开关S1（31）与所述节点（12）相连；

所述节点（11）通过所述开关S2（32）和所述节点（22）相连；

所述节点（12）通过所述开关S3（33）和所述节点（22）相连；

所述节点（12）通过所述开关S4（34）和所述输出端（38）相连；

所述节点（22）通过所述开关S5（35）和所述输出端（38）相连；

所述节点（21）通过所述开关S6（36）和所述输出端（38）相连。